Transistor | Definizione, tipi, simboli e storia

Quasi tutta l'elettronica moderna si basa su un componente fondamentale noto come transistor. Anche l'elemento costitutivo dei moderni sistemi embedded è un transistor, che funge da componente fondamentale per il controllo dell'elaborazione dei dati. Un transistor è un componente essenziale nei circuiti integrati (CI), nei microprocessori e nei microcontrollori, e in quasi tutti i dispositivi elettronici.  

Il transistor è un dispositivo a semiconduttore a tre terminali utilizzato per controllare il flusso di corrente. Quando una tensione o una corrente viene applicata ai terminali di ingresso di un transistor, esso controlla o amplifica il segnale di ingresso per generare un segnale di uscita. È realizzato con materiali semiconduttori come il germanio o il silicio. Comprendere i transistor, le loro tipologie, i simboli e il loro funzionamento è essenziale per gli ingegneri elettrici nella progettazione di sistemi elettronici moderni.

Cos'è il transistor?

Un transistor è un dispositivo elettronico che controlla il flusso di corrente. Un transistor ha tre terminali noti come base, emettitore e collettore. Un transistor tipico ha due modalità di funzionamento: può fungere da interruttore o da dispositivo di amplificazione. In modalità di commutazione, il transistor consente o permette il flusso di corrente. Mentre, in modalità di amplificazione, il transistor amplifica il piccolo segnale di ingresso per generare un segnale di uscita più grande.

Un transistor è costituito da tre strati di materiale semiconduttore, come silicio e germanio. Questi strati possono essere PNP o NPN. La disposizione degli strati di materiale determina il tipo di transistor, PNP o NPN. Un transistor tipico ha tre terminali, noti come base, emettitore e collettore. Questo tipo di transistor è noto come transistor a giunzione bipolare (BJT). Il simbolo e la figura tipici di un transistor BJT sono mostrati di seguito.

Strati di transistor	Simbolo del transistor	Pacchetto transistor

Fig-1: Figura e simbolo del transistor

Tipi di transistor e simboli dei transistor

I transistor sono classificati in tre tipologie: transistor bipolari a giunzione (BJT), transistor a effetto di campo (FET) e transistor bipolari a gate isolato (IGBT). Questi transistor sono a loro volta ulteriormente suddivisi in sottotipi. I dettagli di ciascun tipo di transistor sono discussi più avanti nell'articolo.

Transistor a giunzione bipolare (BJT)

Il transistor BJT ha tre terminali chiamati base, emettitore e collettore. Il flusso di corrente nel transistor BJT è dovuto agli elettroni o lacune liberi. La piccola quantità di corrente tra i terminali base ed emettitore del transistor BJT può controllare l'ampio flusso di corrente tra i terminali emettitore e collettore. I transistor BJT sono classificati in transistor NPN e PNP.

Figura 2: Simboli dei transistor BJT

Nel transistor PNP, il materiale semiconduttore di tipo N è racchiuso tra due materiali semiconduttori di tipo P. Questa disposizione crea due giunzioni del transistor note come giunzione base-emettitore (Je) e giunzione base-collettore (Jc). In un'applicazione tipica del transistor, la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente e la giunzione base-collettore è polarizzata inversamente. Nel transistor di tipo PNP, il flusso di corrente è dovuto alle lacune come portatori di carica maggioritari.

Mentre, nel transistor NPN, il materiale semiconduttore di tipo P è racchiuso tra due materiali semiconduttori di tipo N. Nel transistor di tipo NPN, il flusso di corrente è dovuto agli elettroni, che fungono da portatori di carica maggioritari.  

Quando un ingresso viene applicato tra due terminali del transistor, amplifica l'ingresso ai terminali di uscita. Un terminale del transistor funge da ingresso e l'altro da uscita. L'altro terminale del transistor funge da massa. TPer questo motivo vengono ideate tre configurazioni di transistor.

1. Configurazione dell'emettitore comune: Nella configurazione ad emettitore comune di a transistor, l'ingresso è applicato a , il  terminale di base del transistor, l'uscita è presa dal collettore e l'emettitore è collegato a terra.

2. Configurazione di base comune:  Nella configurazione di base comune del transistor, l'ingresso è applicato al terminale dell'emettitore del transistor, l'uscita è presa dal collettore e la base è collegata a terra.

3. Configurazione del collettore comune: Nella configurazione a collettore comune del transistor, l'ingresso è applicato al terminale di base del transistor, l'uscita è presa dall'emettitore e il collettore è collegato a terra.

Transistor ad effetto di campo (FET)

I transistor FET utilizzano un campo elettrico per controllare il flusso di corrente. Questo tipo di transistor ha tre terminali: gate, drain e source. I transistor FET sono unipolari, a differenza dei transistor BJT che sono bipolari. I transistor FET sono ampiamente utilizzati in numerose applicazioni grazie all'elevata impedenza (fino a Mega Ohm), al basso consumo energetico, alla bassa dissipazione di calore e all'ampio intervallo di frequenza di commutazione fino a Mega Hertz. I transistor FET sono classificati in due tipologie: transistor MOSFET e JFET.

MOSFET

MOSFET è l'acronimo di Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (Transistor a Effetto di Campo a Semiconduttore a Ossido di Metallo). Questi transistor sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di elettronica di potenza. Sono dispositivi controllati in tensione. Il transistor MOSFET è costituito da tre strati: metallo, ossido e semiconduttore. Lo strato di ossido (SiO₂) nel transistor indica la presenza di un sottile strato isolante tra gli strati di metallo e semiconduttore. Pertanto, il MOSFET utilizza un campo elettrico per controllare il flusso di corrente tra gli strati di metallo e semiconduttore. A differenza dei BJT, i transistor MOSFET possono utilizzare solo elettroni (tipo N) o lacune (tipo P) come portatori di carica durante il loro funzionamento.

Figura 3: Simboli MOSFET a canale N e a canale P

Questi transistor offrono un'impedenza di ingresso molto elevata e una bassa impedenza di uscita, poiché la corrente è controllata tramite un campo elettrico. L'elevata impedenza di ingresso di questi transistor li rende adatti per circuiti elettronici di potenza, circuiti integrati (CI), amplificatori operazionali (Amplificatori Operazionali), oscillatori, filtri e dispositivi ad alta frequenza di commutazione.

Figura 4: Tipico package MOSFET a foro passante

Come i BJT, anche i transistor MOSFET hanno tre configurazioni di funzionamento.

1.     Configurazione del cancello comune (Gate è a terra, ingresso a source, uscita a drain)

2.     Configurazione di scarico comune (Drain è a terra, ingresso a gate, uscita a source)

3.     Configurazione della sorgente comune (La sorgente è a terra, l'ingresso è a gate, l'uscita è a drain)

I transistor MOSFET sono ulteriormente classificati in MOSFET di tipo Enhancement, MOSFET di tipo Depletion, PMOS e NMOS.

·       MOSFET a deplezione: Transistor MOSFET a deplezione, noto anche come transistor D-MOSFET. Quando la corrente scorre tra il terminale di source e quello di drain del transistor, si parla di canale. Nel D-MOSFET, il canale è già in fase di costruzione durante la produzione. Il transistor D-MOS funziona normalmente in stato ON senza applicare alcuna tensione di gate. Pertanto, in questa condizione, il transistor è definito dispositivo ON. Tuttavia, quando viene applicata una tensione di gate all'ingresso del transistor, il suo canale diventa resistivo. Aumentando la tensione, la corrente di canale continua a diminuire fino a quando la corrente del transistor dal drain al source non si arresta.

·       MOSFET di tipo di miglioramento: MOSFET a potenziamento, noto anche come transistor E-MOS. Il canale non è pre-creato, a differenza del transistor D-MOS. In condizioni normali, non scorre corrente tra il terminale drain e quello source del transistor. Tuttavia, quando la tensione di gate viene applicata al transistor, la corrente continua ad aumentare, rendendo il canale del transistor meno resistivo.

·  

        Transistor PMOS e NMOS: Proprio come i MOSFET, anche i transistor PMOS e NMOS hanno tre terminali: gate, drain e source. La principale differenza tra i transistor PMOS e NMOS è che nei transistor NMOS gli strati di source e drain sono drogati con materiale di tipo N. Mentre nei transistor PMOS gli strati di source e drain sono drogati con materiale di tipo P.

Tipo MOS	Simbolo
NMOS
PMOS

JFET

JFET è un dispositivo controllato in tensione e sta per Junction Field Effect Transistor (transistor a effetto di campo a giunzione). Il JFET è uno dei primi transistor nei FET e il più semplice. Il flusso di corrente nel transistor JFET è dovuto solo ai portatori di carica maggioritari, a differenza dei transistor a giunzione bipolari in cui il flusso di corrente è dovuto sia ai portatori di carica maggioritari che minoritari. I transistor JFET sono classificati in N-JFET e P-JFET. Presenta tre terminali: gate, source e drain.

In un normale funzionamento del transistor, quando la tensione di gate è zero, gli elettroni si spostano facilmente dal source al drain del transistor. Tuttavia, quando la tensione di gate viene applicata ai terminali di source e gate del transistor, la giunzione PN viene polarizzata inversamente e aumenta l'ampiezza dello strato di svuotamento. Questo porta il JFET a chiudere la regione (completamente spento).

A cosa serve un transistor?

Un transistor è un dispositivo elettronico che controlla il flusso di corrente. Il transistor ha due funzioni principali: essere utilizzato come interruttore o come dispositivo di amplificazione. Il transistor ha tre modalità di funzionamento: taglio, saturazione e regione attiva. Funziona come interruttore o amplificatore a seconda della regione di funzionamento. Se un transistor funziona nella regione di taglio e saturazione, agisce come interruttore. Tuttavia, se funziona in una regione attiva, agisce come amplificatore.

·       Transistor come interruttore: Grazie alla combinazione di saturazione e zona di taglio, un transistor viene utilizzato come dispositivo di commutazione. Quando si trova nella zona di taglio, la corrente non scorre affatto e il transistor è polarizzato inversamente. Pertanto, rimane nello stato OFF. Quando si trova nella zona di saturazione, la corrente scorre e il transistor è polarizzato direttamente. Pertanto, passa nello stato ON. I transistor trovano ampie applicazioni in dispositivi di commutazione, come il lampeggio di LED, motori a corrente continua, porte logiche, azionamenti ad alta frequenza, regolazione di potenza precisa e relè.

·       Transistor come amplificatore: Quando un transistor viene utilizzato con precisione in una regione attiva, viene utilizzato come amplificatore. Il fattore importante che contribuisce all'amplificazione è il guadagno (beta) del transistor. Questo è normalmente indicato nella scheda tecnica del transistor. Maggiore è il guadagno, maggiore è l'amplificazione del transistor. Un altro fattore che contribuisce alle prestazioni dell'amplificatore è il rapporto tra tensione di ingresso e di uscita, resistenza di ingresso e di uscita, guadagno di corrente e guadagno di potenza. Il transistor come amplificatore è ampiamente utilizzato nei segnali radio, nelle comunicazioni wireless, negli amplificatori operazionali, nei dispositivi audio, negli amplificatori strumentali, nei dispositivi medicali e nelle comunicazioni in fibra ottica.

Come funzionano i transistor?

I transistor hanno rivoluzionato il mondo moderno. Oggigiorno, i transistor sono utilizzati ovunque, dagli smartphone ai motori dei razzi, ai processori moderni, ai dispositivi di memoria e ai server internet.

Un transistor tipico funziona come un interruttore o un amplificatore. È realizzato con tre strati di materiali semiconduttori, ovvero di tipo N e di tipo P. Quindi, come funziona un transistor?

Un tipico transistor ha tre terminali: base, emettitore e collettore. Lo scopo del transistor è controllare il flusso di corrente. Il controllo avviene tramite il principio dei portatori di carica. La maggior parte dei portatori di carica sono elettroni o lacune. I tre strati sono disposti insieme in modo tale che vi siano due strati di tipo N e uno di tipo P tra di essi. Questo crea un transistor NPN e viceversa per un transistor PNP.

Il funzionamento fondamentale dei transistor si basa sulla giunzione base-emettitore e sulla giunzione base-collettore. Queste giunzioni si formano quando un segnale base viene applicato al terminale base-emettitore di un transistor. Quando una piccola quantità di corrente viene applicata all'ingresso del transistor, si verifica un flusso di corrente elevato dalla giunzione base-collettore. Questo fenomeno è noto come amplificazione a transistor. Un transistor in modalità amplificazione si ottiene polarizzando direttamente la giunzione base-emettitore e inversamente la giunzione base-collettore.

Quando non viene applicato alcun segnale di base all'ingresso (terminali base-emettitore) del transistor, sia la giunzione base-emettitore che quella base-collettore risultano polarizzate inversamente. Pertanto, non scorre corrente dall'emettitore al collettore e il transistor si trova in stato OFF. Un transistor in questa regione di funzionamento è definito regione di taglio.

Quando un segnale di base viene applicato all'ingresso del transistor, questo consente alla corrente di fluire dall'emettitore al collettore. Sia la giunzione base-emettitore che quella base-collettore in questo funzionamento sono polarizzate direttamente e il collettore sarà in stato ON. Un transistor in questa regione di funzionamento è definito regione di saturazione.

Storia del transistor

L'origine dei transistor affonda le sue radici nei tubi a vuoto termoionici. I tubi a vuoto termoionici furono inventati nel 1907 e utilizzati principalmente per la tecnologia radio e i sistemi radar. Furono il primo tipo di transistor, ma consumavano molta energia e avevano dimensioni ingombranti. Questi tubi a vuoto utilizzano un segnale in ingresso per controllare il flusso di corrente in uscita tramite gli elettrodi. 

Quando e chi ha inventato il transistor

Nell'ottobre del 1925, uno scienziato austriaco in Canada pubblicò il primo brevetto in assoluto per un transistor a effetto di campo. Tuttavia, il suo lavoro fu ignorato a causa della mancanza di articoli di ricerca pubblicati. Tuttavia, durante la Seconda Guerra Mondiale, i Bell Labs si impegnarono a produrre un cristallo di germanio puro da utilizzare nei segnali radar e nei mixer di frequenza.

Nel 1947, John Bardeen e William Shockley dei Bell Labs, nel New Jersey, Stati Uniti, inventarono il primo transistor funzionante in assoluto. Successivamente, nel 1958, i Bell Labs introdussero il transistor MOSFET. L'invenzione del MOSFET ha rivoluzionato l'elettronica moderna, in quanto è stato il primo transistor planare in cui drain e source si trovano entrambi sulla stessa superficie. La scoperta del MOSFET ha poi ampiamente sostituito i transistor convenzionali in quasi tutti i dispositivi elettronici, inclusi processori, dispositivi di memoria e microcontrollori.

Conclusione

In conclusione, il transistor è una delle maggiori invenzioni del XX secolo.^th secolo che ha cambiato l'elettronica moderna. L'elettronica embedded moderna, come processori, microcontrollori e dispositivi digitali, è composta da transistor. I transistor sono componenti vitali nell'elettronica moderna, come radar, comunicazioni in fibra ottica, dispositivi medicali e amplificatori strumentali. Pertanto, comprendere il funzionamento dei transistor, i loro principi di funzionamento e le loro tipologie è fondamentale per gli ingegneri che desiderano progettare applicazioni all'avanguardia.